CN103059828A - 用于水基压裂液的稠化剂及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于水基压裂中的带有支链结构的稠化剂，其由N，N-二甲基丙烯酰胺(AAM)、二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)、丙烯腈(AN)、甲基丙烯酸(AA)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)、N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)六种单体共聚而成。本发明还公开了一种带有支链结构的稠化剂的制备方法。与现有技术相比，本发明的稠化剂具有低残渣、耐温、易溶解、抗剪切、携沙性能好特点，超支化分子压裂液稠化剂完全避免了植物胶压裂液高伤害、高摩阻和常规聚合物压裂液不耐剪切、破胶不彻底等问题且该稠化剂不像植物胶那样含有大量水不溶物，稠化剂在压裂液原液中完全溶解，水不溶物基本为零，不含有固相成分，所配出的压裂液原液晶莹透亮，破胶后残渣含量较植物胶压裂液体系大大降低，具有残渣含量少、使用粘度低、携砂性能好、成本低、易返排等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于水基压裂液的稠化剂，具体来说，本发明涉及用于水基压裂液的带有多支链结构(超支化)的低残渣合成聚合物稠化剂以及该稠化剂的合成方法。
背景技术
压裂技术是常规的增产技术，用于水力压裂的压裂液类型及其性能与造出一定尺寸、具有导流能力的裂缝有密切的关系，是影响压裂成败的重要因素，因此对压裂液的性能如增粘性、流变性、滤失性、摩阻损失、稳定性、地层伤害等性能均有严格的要求。其中，作为提高压裂液粘度的增稠剂(即稠化剂)是压裂液的主要成份。长期以来，人们对增稠剂的作了大量的研究工作，目前，国内外常用的增稠剂有三种类型：①天然植物胶及其衍生物；②纤维素衍生物；③合成水溶性聚合物。
通常，在实施压裂增产的过程中，要选择合适的压裂液体系，以便减少压裂液对储层和裂缝的伤害程度。目前，国内使用较多的仍为植物胶压裂液体系，但是，这一体系中存在的水不溶物较多，即使采用一级羟丙基胍尔胶，其水不溶物也在8％以上。同时，使用植物胶压裂液体系时残渣也较多，这对地层和裂缝的伤害较大。而且，其交联条件为弱碱性，不适合于酸性地层。因此，研发低残渣、适合酸性地层使用的新型稠化剂非常必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于水基压裂中的低残渣、适合任何地层使用的带有支链结构(即超支化)的稠化剂，该稠化剂具有低残渣、适用范围广、耐高温150℃、耐剪切、耐盐等优点。
本发明的另一个目的在于提供一种合成上述稠化剂的方法，该方法能够简便易行且高效地合成稠化剂。
本发明采用了如下的技术方案：
一种用于水基压裂中的带有支链结构的稠化剂，其由N，N-二甲基丙烯酰胺(AAM)、二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)、丙烯腈(AN)、甲基丙烯酸(AA)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)、N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)六种单体共聚而成，其中，六种单体的重量比依次对应为(3-4)∶1∶1∶1∶(1-1.5)∶1。
上述稠化剂中，各单体与水的重量百分比组成为：
(a)20至30重量％的N，N-二甲基丙烯酰胺(AAM)；
(b)5至8重量％的二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)；
(c)5至8重量％的丙烯腈(AN)；
(d)5至10重量％的甲基丙烯酸；
(e)10至20重量％的2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)；
(f)5至10重量％的N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)；
(g)余量为水。
更优选地是，各单体与水的重量百分比组成为：
N，N-二甲基丙烯酰胺(AAM)：20重量％；
二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)：5重量％；
丙烯腈(AN)：5重量％；
甲基丙烯酸(AA)：10重量％；
2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)：20重量％；
N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)：10重量％；
水：30％。
其中，N，N-二甲基丙烯酰胺(AAM)、二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯腈、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐、N-乙烯基-2-吡咯烷酮六种单体共聚形成带有支链结构的不可水解聚合物。
其中，所述共聚物的分子量为200-800。优选为200-500。
其中，上述稠化剂通过水溶液催化剂法和紫外光照产生自由基的方式共聚制的。
一种合成上述稠化剂的方法，其包括如下步骤：
(1)将N，N-二甲基丙烯酰胺(AAM)、二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯 腈、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐、N-乙烯基-2-吡咯烷酮六种单体按比例称量并进行混配；
(2)将上述混配好的单体放入蒸馏水中进行溶液的配制；
(3)调节溶液的pH值和温度，使溶液的pH值在4.5±0.5，所述温度为10±1℃；
(4)通过水溶液催化剂法和紫外光照产生自由基来使上述单体发生共聚聚合。
其中，所述水溶液催化剂法和紫外光照产生自由基是指在稠化剂的合成过程中，向配制好的单体溶液吹氮气进行保护15-20分钟，然后向溶液中加入催化剂，并辅以紫外光灯照射诱发15-20分钟以产生自由基，从而使单体发生共聚聚合。
其中，对溶液吹氮气以除去水中的溶解氧，然后在氮气的保护下加入催化剂，停止吹氮气并置于紫外灯光下，将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入催化剂再次引发。
在保温密闭条件下温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象结束，并从这一刻开始记录时间，保温3小时。
本发明的引发起始温度控制在5-20℃范围之内，优选的起始温度是10±1℃。pH值控制在3.5-5.5之间。
其中，pH碱性调解剂包括氢氧化钠、碳酸钾或氨水。pH酸性调节剂包括磷酸、硫酸、盐酸或乙酸。
对于所述催化剂没有特别限制。聚合催化剂的氧化剂为过硫酸盐或过氧化物，例如过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠、过氧化氢、过氧化苯甲酰或叔丁基过氧化物。本发明中可以使用氧化剂与还原剂一起组成氧化还原体系，所述还原剂可为亚硫酸盐、亚硫酸氢盐如甲醛合次硫酸氢钠、有机胺等。
偶氮化合物也是本发明优选的催化剂之一，适用的典型偶氮化合物为偶氮二异丁腈(AZDN)、偶氮二异庚腈(V65)、偶氮二异丁基脒盐酸盐(V50)等。
可以同时使用两种或两种以上上述催化剂，催化剂的量一般为单体的0.001-3％重量。
与现有技术相比，本发明的稠化剂适用于油田增产中的水基压裂液，是一种低残渣、耐温、易溶解、抗剪切、携沙性能好的超支链结构的低分子聚合物，超支化分子压裂液稠化剂完全避免了植物胶压裂液高伤害、高摩阻和常规聚合物压裂液不耐剪切、破胶不彻底等问题。由于该稠化剂为人工合成，因此不像植物胶那样含有大量水不溶物，稠化剂在压裂液原液中完全溶解，水不溶物基本为零，不含有固相成分，所配出的压裂液原液晶莹透亮，破胶后残渣含量较植物胶压裂液体系大大降低，具有残渣含量少、使用粘度低、携砂性能好、成本低、易返排等特点，可广泛适用于各类储层的增产改造。
以下根据具体的实施方式对本发明的稠化剂及其生产过程做详细地说明，实施例仅为示例的目的，并不旨在对保护范围进行任何限定。
具体实施方式
以下根据具体的实施方式对本发明的稠化剂及其生产过程做详细地说明，实施例仅为示例的目的，并不旨在对保护范围进行任何限定。
实施例1
在本实施例中，各单体与水的重量百分比为：AAM∶DADMAC∶AN∶AA∶AMPS∶PVN∶H2O＝20∶5∶5∶10∶20∶10∶30。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水300g，加入AAM单体200g，DADMAC单体50g，加入AN单体50g，加入AA单体100g，加入AMPS单体200g，加入PVN单体100g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH 4.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：根据熟化后的pH值范围，利用氢氧化钠(pH值碱性调节剂)或磷酸(pH值酸性调节剂)再次调节pH值到4.5±0.5，调节温度10±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧15-20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂V651g/L，V500.1g/L，过硫酸铵0.08g/L，甲醛合次硫酸氢钠0.08g/L，停止吹氮气并将紫外灯管打开聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发 期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入相同数量的催化剂再次引发，在保温密闭条件下直至温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象结束，并从这一刻开始记录时间，保温3小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成30目，编号为WH924。
实施例2
各单体于水的重量百分比：AAM∶DADMAC∶AN∶AA∶AMPS∶PVN∶H2O＝25∶5∶5∶5∶10∶5∶45。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水450g，加入AAM单体250g，DADMAC单体50g，加入AN单体50g，加入AA单体50g，加入AMPS单体100g，加入PVN单体50g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH 4.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：根据熟化后的pH值范围，利用氢氧化钠(pH值碱性调节剂)或磷酸(pH值酸性调节剂)再次调节pH值到4.5±0.5，调节温度10±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧15-20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂V651g/L，V50 0.1g/L，过硫酸铵0.08g/L，甲醛合次硫酸氢钠0.08g/L，停止吹氮气并将紫外灯管打开聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入催化剂再次引发。在保温密闭条件下直至温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象结束，并从这一刻开始记录时间，保温3小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成30目，编号WH925。
实施例3
在本实施例中，各单体与水的重量百分比为：AAM∶DADMAC∶AN∶AA∶AMPS∶PVN∶H2O＝20∶5∶5∶10∶20∶10∶30。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水300g，加入AAM单体200g，DADMAC单体50g，加入AN单体50g，加入AA单体100g，加入AMPS单体200g，加入PVN单体100g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中 和剂(氢氧化钠)至pH 4.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：根据熟化后的pH值范围，利用氢氧化钠(pH值碱性调节剂)或磷酸(pH值酸性调节剂)再次调节pH值到4.5±0.5，调节温度10±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧15-20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂V651.5g/L，V500.3g/L，过硫酸铵0.1g/L，甲醛合次硫酸氢钠0.1g/L，停止吹氮气并将紫外灯管打开聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入相同数量的催化剂再次引发，在保温密闭条件下直至温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象结束，并从这一刻开始记录时间，保温3小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成30目，编号为WH926。
实施例4
各单体于水的重量百分比：AAM∶DADMAC∶AN∶AA∶AMPS∶PVN∶H2O＝25∶5∶5∶5∶10∶5∶45。
溶液的配制：在2000ml烧杯中加入蒸馏水450g，加入AAM单体250g，DADMAC单体50g，加入AN单体50g，加入AA单体50g，加入AMPS单体100g，加入PVN单体50g，搅拌溶解30分钟，在搅拌条件下缓慢加入中和剂(氢氧化钠)至pH 4.5。继续搅拌溶液熟化30分钟。
溶液的调整：根据熟化后的pH值范围，利用氢氧化钠(pH值碱性调节剂)或磷酸(pH值酸性调节剂)再次调节pH值到4.5±0.5，调节温度10±1℃。
溶液的聚合：吹氮气除氧15-20分钟，在氮气保护下依次加入催化剂V650.5g/L，V50 0.05g/L，过硫酸铵0.15g/L，甲醛合次硫酸氢钠0.15g/L，停止吹氮气并将紫外灯管打开聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入催化剂再次引发。在保温密闭条件下直至温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象结束，并从这一刻开始记录时间，保温3小时。
产品的后处理：将已聚合好的胶体进行造粒，烘干，粉碎成30目，编号WH927。
对上述实施例主要聚合催化剂配方汇总(如表1)。
表1
对上述实施例产品进行化学指标性能检测(结果如表2)。
表2
对上述产品进行应用性能方面的检测(结果如表3)
表3
从上面的检测结果来看，WH924、WH925、WH926、WH927产品是按照本发明的稠化剂的配方进行聚合得到的产品，其中WH924产品是最优配方得到的，其各项应用指标均符合水基压裂的最佳指标，尤其是，本发明产品的残渣含量远远低于普通聚合物和胍胶的残渣含量，相对于比较对象，其降低到普通聚合物的十分之一左右，胍胶的1/4-1/7。
尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。
Claims (10)
1.一种用于水基压裂中的带有支链结构的稠化剂，其由N，N-二甲基丙烯酰胺(AAM)、二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)、丙烯腈(AN)、甲基丙烯酸(AA)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)、N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)六种单体共聚而成，其中，六种单体的重量比依次对应为(3-4)∶1∶1∶1∶(1-1.5)∶1，所述稠化剂通过水溶液催化剂法和紫外光照产生自由基的方式共聚制的。
2.如权利要求1所述的稠化剂，其中，各单体与水的重量百分比组成为：
(a)20至30重量％的N，N-二甲基丙烯酰胺(AAM)；
(b)5至8重量％的二甲基二烯丙基氯化铵(DADMAC)；
(c)5至8重量％的丙烯腈(AN)；
(d)5至10重量％的甲基丙烯酸；
(e)10至20重量％的2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐(AMPS)；
(f)5至10重量％的N-乙烯基-2-吡咯烷酮(PVN)；
(g)余量为水。
3.如权利要求1或2所述的稠化剂，其中，N，N-二甲基丙烯酰胺(AAM)、二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯腈、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐、N-乙烯基-2-吡咯烷酮六种单体共聚形成带有支链结构的不可水解聚合物。
4.如权利要求1或2任一项所述的稠化剂，其中，所述共聚物的分子量为200-800。
5.一种合成权利要求1-4任一项述稠化剂的方法，其包括如下步骤：
(1)将N，N-二甲基丙烯酰胺(AAM)、二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯腈、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸盐、N-乙烯基-2-吡咯烷酮六种单体按比例称量并进行混配；
(2)将上述混配好的单体放入蒸馏水中进行溶液的配制；
(3)利用pH碱性调节剂或pH酸性调节剂调节溶液的pH值和温度，使溶液的pH值在4.5±0.5，所述温度为10±1℃；
(4)通过水溶液催化剂法和紫外光照产生自由基来使上述单体发生共聚聚合。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述水溶液催化剂法和紫外光照产生自由基是指在稠化剂的合成过程中，向配制好的单体溶液吹氮气进行保护15-20分钟，然后向溶液中加入催化剂，并辅以紫外光灯照射诱发15-20分钟以产生自由基，从而使单体发生共聚聚合。
7.如权利要求6所述的方法，其中，对溶液吹氮气以除去水中的溶解氧，然后在氮气的保护下加入催化剂，停止吹氮气并置于紫外灯光下，将聚合釜密闭，诱发15-20分钟，观察是否有温升，当诱发期内有2℃的温升，视为引发成功，否则需要重新加入催化剂再次引发。
8.如权利要求5-7任一项所述的方法，其中，在引发后，于保温密闭条件下温度由10±1℃升到85-95℃的最高温后不再有升温的迹象，此时开始记录时间，保温3小时。
9.如权利要求5-7任一项所述的方法，其中，所述催化剂为氧化剂与还原剂组成的氧化还原体系，氧化剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠、过氧化氢、过氧化苯甲酰或叔丁基过氧化物，所述还原剂为亚硫酸盐、亚硫酸氢盐或有机胺。
10.如权利要求5-7任一项所述的方法，其中，催化剂为偶氮二异丁腈(AZDN)、偶氮二异庚腈(V65)或偶氮二异丁基脒盐酸盐(V50)，催化剂的量为单体的0.001-3％重量。
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